基于邊緣計算技術的綜合管廊智能化電氣設計與應用研究

摘要：文章采用物聯網技術云、邊、端全方面的應用，開發物聯網邊緣計算控制器和物聯網平臺，提高管廊感知能力，降低集成難度，從而間接提高了綜合管廊的智能化管控水平與運行效率，降低了運維管理成本，保障了綜合管廊、市政管線和人員的安全。

關鍵詞：綜合管廊 ；智慧管廊 ；物聯網 ；邊緣計算

 

       綜合管廊負責容納多種城市綜合管線，一旦失控將對城市生產、生活造重大經濟損失，嚴重影響城市運營。所以應在綜合管廊內設置管廊智慧化系統，為管廊以及廊內管線與人員提供基本的安全保護。當前這些系統依舊采用獨立的系統進行集成，而海量的多種類設備所產生的龐大信息數據，結合 對外通訊的復雜性、信息數據接入方式傳統等因素，為數據的采集、處理和信息的集成帶來困難。同時，設備缺乏自處理能力，其功能的實現對通訊依賴度高；各子系統自成一體，大量的自用纜線占據綜合管廊有限空間；信息孤島現象明顯，系統間不能實現跨系統設備聯動，系統反應遲緩，應急措施受限。

 

       從2018年開始，高校、科研院所、市政設計院陸續加大了物聯網技術在管廊智慧化中的應用研究。例如上海市政院發表論文《基于物聯網和BIM 的管道滲漏預警系統、方法和應用》；山西省信息產業技術研究院有限公司發表論文《物聯網架構的管廊綜合監控管理平臺》；重慶市勘測院發表論文《物聯網和BIM技術在地下綜合管廊建設運維中的應用研究》；京投公司開展基于物聯網技術的融合通訊設備研究，北京建工開發邊緣計算管廊區域控制單元；蘇交科開發BIM+物聯網結合建立基于云的城市管網智慧監控平臺。這些公司通過探索和研究，嘗試找到物聯網技術，解決管廊智慧化的建設的某些問題。

       物聯網技術在設備連接、大數據量承載方面的優勢。通過對物聯網技術進行創新應用，優化管廊管控系統網絡架構，解決管廊設備數據量 大、通訊協議多樣、集成難度大、跨系統聯動響應遲 緩等問題，保障海量設備并發接入，提高數據安全性和響應速度，實現數據互聯互通，降低統一管理平臺信息集成難度，提高設備自處理能力，確保智慧管控系統安全高可用，并降低事故風險，同時減少建設中電纜、光纜的使用，預留出更多寶貴的廊內空間。

 

       本文中的綜合管廊智慧化系統將從云、邊、端對物聯網技術進行研究和應用。

2.1物聯網云平臺的研究與開發

2.1.1物聯網云平臺功能設計

       物聯網軟件平臺主要功能包括設備物聯、資產管理和應用使能。設備物聯實現平臺和設備的泛在連接、數據采集和設備控制等，資產管理實現設備資產采購、安裝、維護和報廢的全生命周期管理，應用使能實現對業務系統的應用支撐。

2.1.2物聯網云平臺架構設計

       物聯網軟件平臺的開發采用微服務架構，微服務核心組件通過調用HTTP、MQTT、CoAP 三種通訊微服務實現和設備、網關的設備連接、遙感數據采集、控制指令發送等。引入規則鏈進行業務邏輯編制，數據通訊采用消息隊列。物聯網軟件平臺作為業務系統（綜合管廊智慧管控平臺）的數據和應用支撐。引入Zookeeper 架構，實現平臺的集群部署和高可用（見圖1）。

圖1 智慧管廊物聯網平臺架構示意

 

2.1.3物聯網云平臺開發

參考國內外物聯網平臺的功能實現，采用java語言開發適合智慧管廊應用場景的物聯網平臺（見圖2）

圖2 智慧管廊物聯網平臺界面

2.2物聯網邊緣計算的研究和應用

       通過在管廊現場（防火分區設備間）設置管廊邊計算控制器，實現就地化數據采集、設備聯動、數據上傳，可以大大提高數據效率，并節省電纜。

       管廊邊緣計算控制器主要匯總環境和設備監控、安防、通訊、結構監測等系統的數據，常用協議為MQTT、OPC UA、Modbus、ODBC、視頻（碼流）等，實現不同系統之間的設備聯動。數據上傳江采集的數據上傳給物聯網平臺（見圖3）

圖3 綜合管廊邊緣計算網關

 

2.3物聯網終端的應用

       采用物聯網技術，對綜合管廊進行監控和數據采集。針對環境與設備監控、安全防范、通信、火災自動報警、可燃氣體報警、電子標簽、巡檢機器人、結構檢測、管線監測、其他智能終端都采用物聯網終端設備進行采集。配置原則如表1 所示。

表1 物聯網終端配置

 

3.1平臺概述

       AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環境和設備的使用和恢復效率。

3.2平臺組成

       安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

3.3平臺拓撲

 

3.4平臺子系統

3.4.1電力監控

       電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

3.4.2環境監測

       環境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內的水泵和通風排煙風機等設備集成的第三方系統完成管廊環境綜合監控。

 

3.4.3電氣安全

       AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

 

3.5.1電力監控及配電室環境監控系統

 

3.6.1 Anet-**/4G系列導軌式智能網關

       ANet-**/4G是安科瑞電氣股份有限公司自主研發的一款帶全網通無線聯網功能的通用型智能 通信管理機，適用于公務、企事業單位、公共機構、住宅商業樓宇、酒店餐飲商場等領域， 可滿足水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的用量及能源能耗分項計量數據采集的需求。 

該設備可用于以下應用場景： 

?電力監控系統 ?電能質量系統 ?物聯網系統 ?電力需求側系統 

?建筑能耗系統 ?遠程預付費系統 ?消防防護系統 ?智能建筑系統

技術特點

 

3.6.2  Anet-2E4SM/4G模塊化智能網關

        ANet-2E4SM模塊化通信管理機是安科瑞電氣股份有限公司自主研發的一款通用型智能通信管理機，將傳統管理機的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標準智能通信管理機獨立工作， 整個設備可通過串口、以太網、Lora無線、wifi無線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設備 終端的數據，標配的8路無源干接點可實時采集門禁、水浸、煙感等開關量信息，可通過有線網絡、 WiFi網絡、4G網絡等鏈路上傳告警、實時數據等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴展，增加更豐富的 應用場景，同時還可提供邊緣計算等需求。 

該設備可用于以下應用場景： 

?電力監控系統 ?電能質量系統 ?物聯網系統 ?電力需求側系統 

?建筑能耗系統 ?遠程預付費系統 ?第三方云平臺 ?泛在電力物聯網 

?運維系統平臺 ?能源綜合管理平臺 

技術特點

 

       通過物聯網技術在綜合管廊智慧化中云、邊、端的應用，大大提高了綜合管廊的信息感知能

力，降低了綜合管廊數據采集的難度，避免了數據孤島，提高了系統平臺數據的承載能力，從而間接提高

了綜合管廊的智能化管控水平與運行效率，降低了運維管理成本，保障了綜合管廊、市政管線和人員的安全。

 

【1】梁仕賢，羊保品.物聯網技術在綜合管廊智慧化中的應用研究

【2】凌琪. 滇中新區智慧管廊環境和設備監控系統設計[J]. 智能建筑與智慧城市，2019

【3】安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05